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Modélisation et commande floues de type Takagi-Sugeno
appliquées à un bioprocédé de traitement des eaux usées
Victor Hugo Grisales Palacio
To cite this version:
Victor Hugo Grisales Palacio. Modélisation et commande floues de type Takagi-Sugeno appliquées à un bioprocédé de traitement des eaux usées. Automatique / Robotique. Université Paul Sabatier -Toulouse III, 2007. Français. �tel-00136382�
Année 2007
THÈSE
Préparée au
Laboratoire d’Analyse et d’Architecture des Systèmes du CNRS
En vue de l’obtention du
Doctorat de l’Université Paul Sabatier - Toulouse III et l’Université de los Andes, Colombie
Spécialité
Systèmes Automatiques
par
Victor-Hugo GRISALES PALACIO
MSc. en Ingénierie Electrique de l’Université de los Andes, Colombie _______________________________
M
ODÉLISATION ET COMMANDE FLOUES DE TYPE
TAKAGI-SUGENO APPLIQUÉES À UN BIOPROCÉDÉ DE
TRAITEMENT DES EAUX USÉES
_______________________________
Soutenue le 22 février 2007 devant le jury :
Président
Joseph AGUILAR Directeur de Recherche Émérite, LAAS-CNRS
Rapporteurs :
Sylvie GALICHET Professeur à l’Université de Savoie, Annecy Jean-Philippe STEYER Directeur de Recherche à l’INRA de Narbonne
Directeurs de thèse :
Gilles ROUX Professeur à l’Université Paul Sabatier - Toulouse III Alain GAUTHIER Professeur à l’Université de los Andes, Colombie Examinateur :
iii
Avant-propos
L’aboutissement du travail de thèse présenté dans ce manuscrit a été possible grâce a la collaboration entre plusieurs personnes et organismes, tant en France qu’en Colombie. Ce travail en cotutelle a été réalisé au Laboratoire d’Analyse et d’Architecture des Systèmes (LAAS) du Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS) à Toulouse, France, ainsi qu’au Groupe d’Informatique et d’Automatisation pour la Production (GIAP) à l’Université de los Andes, à Bogota, Colombie.
Je tiens tout d’abord à remercier Messieurs Malik GHALLAB et Raja CHATILA, respectivement ancien et actuel Directeurs du LAAS, ainsi que Monsieur Joseph AGUILAR-MARTIN et Madame Louise TRAVE-MASSUYES, respectivement ancien et actuelle responsables du groupe DIagnostic, Supervision et COnduite qualitatifs, pour m’avoir accueilli au sein du laboratoire et du groupe DISCO.
Je suis très reconnaissant de l’honneur que m’ont fait Madame Sylvie GALICHET, Professeur à l’Université de Savoie et Monsieur Jean-Philippe STEYER, Directeur de Recherche à l’INRA de Narbonne, France, en acceptant la tâche d’évaluer en qualité de rapporteurs les travaux présentés dans ce mémoire. Leurs précieuses et judicieuses remarques ont été pour moi d’une grande aide et valeur.
Je tiens également à remercier vivement Monsieur Joseph AGUILAR-MARTIN, Directeur de Recherche au CNRS, d’avoir accepté de présider le jury de cette thèse et Monsieur Fernando JIMENEZ, Professeur à l’Université de Los Andes, Colombie, pour avoir accepté de prendre part au jury.
Je voudrais exprimer ma reconnaissance et toute ma gratitude envers mes Directeurs de thèse : Monsieur Gilles ROUX, Professeur à l’Université Paul Sabatier de Toulouse, pour sa patience, disponibilité et soutien permanent et à Monsieur Alain GAUTHIER, Professeur à l’Université de Los Andes, Colombie, pour sa confiance, son charisme et bons conseils au cours de ces années de thèse. C’est un honneur pour moi d’avoir eu l’occasion de travailler et d’apprendre au côté de personnes ayant des qualités humaines exceptionnelles.
Je remercie vivement l’Université Distrital « Francisco José de Caldas » à Bogota, Colombie, d’avoir permis la poursuite de mes études de doctorat à l’étranger, la Fondation pour le futur de la Colombie ainsi que les Programmes de Coopération de l’Ambassade de France en Colombie et l’Institut Colombien pour l’Avancement de la Science (COLCIENCIAS), qui ont rendu possible une grande partie du soutien financier pour le déroulement de ce travail de thèse. Je tiens également à remercier les collègues du Laboratoire d’Automatique, Microélectronique et Intelligence Computationnelle (LAMIC) de l’Université Distrital FJDC, pour la collaboration fructueuse dans la réalisation de ce travail et à sa future continuité dans le cadre de la recherche et l’enseignement.
J’adresse aussi ma sympathie à toutes les personnes de France et de Colombie qui m’ont apporté leur aide et connaissance d’une façon ou d’une autre et qui ont contribué à faire évoluer mon esprit : j’ai appris beaucoup plus que jamais je n’aurais imaginé au début. Je ne cite pas de noms pour éviter d’oublier quelqu’un. Je suis sûr qu’ils se reconnaitront dans ce paragraphe. Un grand merci.
iv
Finalement, je tiens à témoigner toute ma gratitude au Créateur, source infinie d’inspiration et connaissance et à ma famille pour leur soutien quotidien, leur encouragement et leur immense disponibilité. Du plus petit au plus grand, vous avez été force d’esprit et exemple d’amour pour accomplir cette thèse de doctorat.
Il y aura un premier docteur dans la famille !
Ce n’est qu’au début du crépuscule que la chouette Minerve prend son vol.
v
Table des matières
Liste des figures ... ix
Liste des tableaux ... xi
Introduction ... 1
PART I. TRAITEMENT DES EAUX USÉES : UN POINT DE VUE DE L’INGÉNIERIE ... 5
1. Introduction aux procédés biologiques de traitement des eaux ... 7
1.1. Les procédés de traitement des eaux usées ... 9
1.1.1. L’eau et la pollution ... 9
1.1.2. Les indicateurs de qualité de l’eau ... 11
1.1.3. La législation : quelques éléments ... 12
1.1.4. Le traitement des eaux usées... 15
1.2. Le traitement biologique des eaux usées... 18
1.2.1. Les principaux polluants ... 19
1.2.2. Les micro-organismes épurateurs... 20
1.2.3. Les processus métaboliques ... 22
1.2.4. Les traitements biologiques... 24
1.3. L’automatique des bioprocédés... 26
1.3.1. Les problèmes spécifiques de l’Automatique des bioprocédés... 27
1.3.2. Modélisation et identification des bioprocédés... 28
1.3.3. La commande des bioprocédés ... 31
1.4. Conclusions ... 36
2. Modélisation dynamique de procédés biologiques ... 39
2.1. Description des procédés biologiques ... 42
2.1.1. Les micro-organismes et leur utilisation ... 42
2.1.2. Les types de bioréacteurs ... 43
2.1.3. Les trois modes de fonctionnement... 43
2.2. Les modèles de bilans-matière ... 45
2.2.1. Les approches microscopique et macroscopique de modélisation... 45
2.2.2. Le taux spécifique de croissance... 46
2.2.3. Equations d’état... 49
2.3. Influence du transfert de matière... 50
2.4. Quelques modèles représentatifs... 51
2.4.1. Fermentations continues... 51
2.4.2. Fermentations semi-continues... 55
vi
2.5. Modélisation du bioprocédé de traitement des eaux usées par lagunage aérée ... 59
2.5.1. Traitement biologique des effluents de papeterie par lagunage aérée... 60
2.5.2. Modélisation des cinétiques de croissance et de dégradation ... 62
2.5.3. Equations d’évolution du procédé... 65
2.5.4. Variables de commande du procédé... 67
2.6. Conclusions ... 69
PART II. IDENTIFICATION - COMMANDE FLOUES ET APPLICATION AU BIOPROCÉDÉ DE TRAITEMENT DES EAUX USÉES ... 71
3. Identification de modèles flous Takagi-Sugeno (TS) à partir de données... 73
3.1. Modélisation floue de systèmes ... 76
3.1.1. Structure générale et différents types de modèles flous... 76
3.1.2. Le modèle flou de type Takagi-Sugeno ... 84
3.2. Identification (Construction) de modèles flous... 88
3.2.1. Structure du modèle flou ... 89
3.2.2. Le problème d’identification et ses solutions... 90
3.2.3. L’identification basée sur des données entrée-sortie... 91
3.3. Méthodes de coalescence floue (clustering flou) ... 93
3.3.1. Notation et Concepts de base ... 93
3.3.2. Groupage c-moyennes floues (algorithme FCM)... 98
3.3.3. Groupage avec matrice de covariance floue (algorithme GK)... 101
3.3.4. Groupage avec prototypes linéaires (algorithme FCRM) ... 103
3.3.5. Groupage avec régression ellipsoïdale (algorithme FER)... 105
3.3.6. Groupage robuste en présence de bruit (algorithme RoFER) ... 110
3.4. Construction de modèles TS à partir de données : méthodologie générale ... 118
3.4.1. Validation du nombre de clusters... 122
3.4.2. Génération des fonctions d’appartenance des antécédents ... 124
3.4.3. Obtention des paramètres des conséquents ... 126
3.4.4. Validation numérique du modèle flou... 128
3.4.5. Outil logiciel pour la modélisation-identification floue de type TS... 129
3.4.6. Exemples ... 130
3.5. Conclusions ... 140
4. Commande floue TS basée sur modèle ... 143
4.1. Stabilité et stabilisation à partir de modèles flous... 146
4.1.1. Modeles flous dynamiques de type Takagi Sugeno (TS)... 146
4.1.2. Stabilité des modèles flous... 148
4.1.3. Stabilisation des modèles flous TS... 150
4.2. Commande PDC sous optimale par retour d’état... 153
4.2.1. Commande LQR pour des modèles affines à temps discret... 154
4.2.2. Commande PDC avec compensation de gain statique ... 158
4.2.3. Commande PDC avec ajout d’intégrateurs ... 160
4.2.4. Choix des matrices de pondération Q et R... 163
vii
5. Identification et Commande floues TS du bioréacteur ... 167
5.1. Description entrée-sortie du bioprocédé de traitement des eaux usées... 169
5.1.1. Le modèle de bilan matière ... 169
5.1.2. Les paramètres du modèle... 170
5.1.3. Les objectifs de conduite du procédé ... 171
5.1.4. Les contraintes sur les actionneurs... 172
5.2. Modélisation et identification floue du bioprocédé à partir des données... 172
5.2.1. Elaboration du jeu des données entrée-sortie... 173
5.2.2. Utilisation du clustering flou Gustafson-Kessel et RoFER... 176
5.3. Commande floue de type TS du bioprocédé basée sur le modèle flou ... 188
5.4. Conclusions ... 195
Conclusions et prospectives ... 197
ix
Liste des figures
Figure 1.1. Filière d’épuration des eaux résiduaires (d’après )... 16
Figure 1.2. Les micro-organismes et leurs besoins nutritifs et énergétiques (D’après ). ... 22
Figure 1.3. Représentation du système de commande d’un bioprocédé (d’après )... 32
Figure 2.1. Les différents modes de fonctionnement des réacteurs biologiques... 43
Figure 2.2. Loi de Monod pour µmax = 0,5 h-1 et plusieurs valeurs du paramètre KS... 47
Figure 2.3. Loi d’Andrews pour µmax = 0,5 h-1, KS = 0,5 gS/L et plusieurs valeurs du KI... 48
Figure 2.4. Cycle d’élimination des pollutions azotées. ... 53
Figure 2.5. Principales étapes de la digestion anaérobie... 54
Figure 2.6. Schéma typique d’un procédé d’épuration par boues activées ... 57
Figure 2.7. Pilote expérimental d’un procédé à boues activées (Université de los Andes) ... 58
Figure 2.8. Schéma synoptique de l'installation du procédé pilote... 62
Figure 2.9. Les interactions microbiennes : compétition et activation/inhibition compétitive 65 Figure 2.10. Phénomènes d’interactions microbiennes et mortalité bactérienne endogène... 67
Figure 2.11. Alimentation du bioréacteur dans le cas multi-variable ... 68
Figure 3.1. Formes typiques représentatives des fonctions d’appartenance ... 78
Figure 3.2. Représentation interne d’un système flou... 80
Figure 3.3. Identification par clustering flou (adaptation d’après ) ... 92
Figure 3.4. Interprétation géométrique de la matrice de covariance floue (d’après ) ... 102
Figure 3.5. Illustration des fonctions robustes wi et ρi associées à chacun des clusters... 113
Figure 3.6. Vue générale de la méthodologie d’identification non linéaire basée sur l’approche de clustering flou ... 119
Figure 3.7. (a) Illustration du mécanisme de projection et (b) de l’erreur de décomposition au moment de la recomposition (intersection floue) dans l’espace de l’antécédent. 125 Figure 3.8. Approximation des données projetées par une fonction d’appartenance paramétrique... 126
Figure 3.9. Interprétation géométrique de l’orientation du cluster à partir de la matrice de covariance floue (cas de l’algorithme GK). ... 127
Figure 3.10. Fonction y(x)=sinusc(x)... 130
Figure 3.11. Fonction y(x)=sinusc(x) avec bruit et points aberrants (cercles)... 131
Figure 3.12. Approximation TS de la fonction y(x)=sinusc(x) - algorithmes GK et RoFER ... 132
Figure 3.13. Approximation TS de la fonction y(x)=sinusc(x)+ξ - algorithmes GK et RoFER... 133
Figure 3.14. Fonction vallée de Rosenbrock... 135
Figure 3.15. Fonction vallée de Rosenbrock avec bruit et points aberrants (cercles)... 135
Figure 3.16. Approximation TS de la fonction vallée de Rosenbrock... 136
Figure 3.17. Approximation TS de la fonction vallée de Rosenbrock avec bruit et points aberrants ... 138
Figure 4.1. Représentation du concept de compensation parallèle distribuée (PDC) ... 145
Figure 4.2. Schéma général de la commande du type régulateur PDC pour des sous modèles affines ... 157
x
Figure 4.3. Schéma général de la commande du type régulateur PDC avec pré compensateur
... 160
Figure 4.4. Schéma général de la commande PDC avec action intégrale pour des sous modèles affines ... 163
Figure 5.1. Schéma de principe entrée-sortie du bioprocédé de traitement des eaux usées... 169
Figure 5.2. Signaux d’entrée u1(t) et u2(t) pour l’identification du bioprocédé ... 173
Figure 5.3. Répartition des données dans l’espace des entrées du procédé. ... 174
Figure 5.4. Répartition des données dans l’espace des sorties du procédé ... 175
Figure 5.5. Evolution des sorties du procédé – données d’identification ... 175
Figure 5.6. Signaux d’entrée u1(t) et u2(t) pour le premier test de validation du bioprocédé 177 Figure 5.7. Premier test de validation du modèle flou TS du bioprocédé avec données d’opération en mode "mixte" (batch/continu). Sortie du procédé (ligne en trait plein), sortie du modèle avec clustering GK (ligne pleine) et sortie du modèle avec clustering RoFER (ligne pointillée). ... 178
Figure 5.8. Deuxième test de validation du modèle flou TS du bioprocédé avec données d’opération en mode continue. Sortie du procédé (ligne en trait plein), sortie du modèle avec groupement GK (ligne pleine) et sortie du modèle avec groupement RoFER (ligne pointillée). ... 179
Figure 5.9. Partition X(k) avec GK données d’opération en mode continue... 181
Figure 5.10. Partition Sx(k) avec GK données d’opération en mode continue... 181
Figure 5.11. Partition Se(k) avec GK données d’opération en mode continue... 182
Figure 5.12. Partition X(k) avec RoFER données d’opération en mode continue ... 182
Figure 5.13. Partition Sx(k) avec RoFER données d’opération en mode continue... 183
Figure 5.14. Partition Se(k) avec RoFER données d’opération en mode continue... 183
Figure 5.15. Evolution des concentrations X(k) et Sx(k) suivant le scénario de contrôle désiré. ... 193
xi
Liste des tableaux
Tableau 1.1. Caractéristiques générales des rejets ... 13
Tableau 1.2. Valeurs limites des rejets urbains... 13
Tableau 1.3. Valeurs limites des rejets industriels ... 14
Tableau 1.4. Normes sur les rejets (Art. 72 Décret 1594 de 1984, Colombie) ... 15
Tableau 2.1. Caractéristiques d'effluents d'usines de papier et de pâte à papier ... 60
Tableau 2.2. Valeurs des variables d'environnement ... 61
Tableau 3.1. Principales t-normes et t-conormes ... 81
Tableau 3.2. Règles du modèle flou TS pour la fonction y(x)=sinusc(x) ... 132
Tableau 3.3. Centres des clusters du modèle flou y(x)=sinusc(x) – algorithmes GK et RoFER ... 132
Tableau 3.4. Règles du modèle flou TS pour la fonction y(x)=sinusc(x)+ξ ... 133
Tableau 3.5. Centres des clusters du modèle flou y(x)=sinusc(x)+ξ – algorithmes GK et RoFER... 133
Tableau 3.6. Evaluation de la qualité de l’approximation de la fonction y(x)=sinusc(x).... 134
Tableau 3.7. Règles du modèle flou TS pour la fonction vallée de Rosenbrock – algorithme GK ... 137
Tableau 3.8. Règles du modèle flou TS pour la fonction vallée de Rosenbrock – algorithme RoFER... 137
Tableau 3.9. Centres des clusters du modèle flou pour la fonction vallée de Rosenbrock sans bruit ... 137
Tableau 3.10. Evaluation de la qualité de l’approximation de la fonction ) , ( ) , (x y rosenbrock x y z = ... 137
Tableau 3.11. Règles du modèle flou TS pour la fonction vallée de Rosenbrock avec bruit et points aberrants– algorithme GK ... 139
Tableau 3.12. Règles du modèle flou TS pour la fonction vallée de Rosenbrock avec bruit et points aberrants– algorithme RoFER ... 139
Tableau 3.13. Centres des clusters du modèle flou pour la fonction vallée de Rosenbrock avec bruit et points aberrants ... 139
Tableau 3.14. Evaluation de la qualité de l’approximation de la fonction ξ + = ( , ) ) , (x y rosenbrock x y z ... 139
Tableau 5.1. Paramètres stœchiométriques et cinétiques du bioprocédé ... 171
Tableau 5.2. Bornes des variables dans le système d’alimentation du bioprocédé... 172
Tableau 5.3. Performance numérique de la validation du modèle flou TS pour le bioréacteur – résultats avec l’algorithme GK... 180
Tableau 5.4. Performance numérique de la validation du modèle flou TS pour le bioréacteur – résultats avec l’algorithme RoFER ... 180
Tableau 5.5. Paramètres des conséquents du modèle flou TS pour X(k+1) - algorithme GK ... 184
Tableau 5.6. Centres des clusters du modèle flou TS pour X(k+1) - algorithme GK... 184
Tableau 5.7. Paramètres des conséquents du modèle flou TS pour X(k+1) - algorithme RoFER... 185
xii
Tableau 5.9. Paramètres des conséquents du modèle flou TS pour Sx(k+1) - algorithme GK ... 186 Tableau 5.10. Centres des clusters du modèle flou TS pour Sx(k+1) - algorithme GK ... 186 Tableau 5.11. Paramètres des conséquents du modèle flou TS pour Sx(k+1) - algorithme
RoFER... 186 Tableau 5.12. Centres des clusters du modèle flou TS pour Sx(k+1) - algorithme RoFER 186 Tableau 5.13. Paramètres des conséquents du modèle flou TS pour Se(k+1) - algorithme GK
... 187 Tableau 5.14. Centres des clusters du modèle flou TS pour Se(k+1) - algorithme GK ... 187 Tableau 5.15. Paramètres des conséquents du modèle flou TS pour Se(k+1) - algorithme
RoFER... 188 Tableau 5.16. Centres des clusters du modèle flou TS pour Se(k+1) - algorithme RoFER 188 Tableau 5.17. Critères des performances en boucle fermée du système de commande flou de
Introduction 1
Introduction
L’eau est à l’origine de la vie. Sans eau, aucun organisme, qu’il soit végétal ou animal, simple ou complexe, ne peut vivre. Historiquement, les premières civilisations se sont fondées au bord des mers, lacs et rivières. Les eaux utilisées pour les besoins domestiques, l’agriculture et les activités de production étaient rejetées et elles atteignaient les corps d’eau sans aucun type de traitement. Les rivières arrivaient à se débarrasser de leurs déchets par auto-épuration; et l’eau était suffisante par rapport aux besoins humains quotidiens.
L’équilibre naturel autrefois existant a beaucoup été modifié. L’homme a apporté au cycle de l’eau une perturbation quantitative par ses prélèvements et sa consommation et qualitative par la pollution qu’il engendre. C’est ainsi qu’au fil du temps l’industrialisation et la croissance accélérée des villes ainsi que les besoins d’une population en augmentation constante ont entraîné la nécessité de création d'unités d’épuration pour traiter les volumes rejetés et la concentration en substances polluantes. Ces substances peuvent avoir des origines polluantes diverses : physique (présence des matières en suspension), chimique, organique et bactériologique. Parmi la gamme des différentes formes de pollution, les déchets biodégradables constituent une des sources les plus fréquemment trouvées dans la pratique.
Quand la pollution organique est non toxique, elle peut être dégradée par le milieu naturel - si la mase d’eau est suffisante - grâce au phénomène d’auto-épuration, due aux organismes vivant dans le milieu aquatique : bactéries, protozoaires, algues, qui permettent à l’eau de retrouver sa qualité première. Cependant, quand les rejets de matières organiques sont trop concentrés, la capacité naturelle d’auto-épuration est saturée et la pollution persiste, en affectant l’équilibre écologique. Pour faire face à ce problème, l’homme a mis en place des réseaux d’égout qui collectent les eaux usées et les acheminent vers les stations d’épuration, ou le traitement des effluents se fait à l’aide de techniques efficaces, afin de minimiser l'effet polluant avant que l’eau soit rejetée dans le milieu naturel.
L’épuration d’un effluent pollué peut comporter des traitements de nature assez variée : biologiques, chimiques et/ou physico-chimiques. La nature des problèmes d’environnement liés aux activités humaines est une affaire de société qui demande un effort croissant et qui doit être entrepris à l’échelle globale pour mieux comprendre la complexité et maitriser les phénomènes inhérents à la dépollution. Dans les domaines des bioprocédés (ou les procédés de traitement des eaux sont un cas particulier), il est nécessaire d’avoir une participation pluridisciplinaire afin de couvrir le très large spectre de connaissances impliquées pour parvenir à des procédés de traitement optimisés [STE98]. En effet, pour mieux comprendre les différents acteurs impliqués, du point de vue biotechnologique, l’activité dans le domaine peut grosso modo être regroupée en trois domaines d’activité principaux, évidement complémentaires [DOC01] :
• La microbiologie et le génie génétique, qui ont pour objectifs de développer des microorganismes permettant la production de nouveaux produits et de choisir les meilleures souches de microorganismes de manière à obtenir certains produits désirés ou certaines qualités de produit.
2 Introduction • Le génie des bioprocédés, qui s’occupe de choisir les meilleurs modes de fonctionnement ou de développer des procédés et/ou réacteurs qui permettent d’améliorer le rendement et/ou la productivité des bioprocédés.
• L’automatique des bioprocédés, qui quant à elle, a pour but d’augmenter le rendement et/ou la productivité en développant des méthodes de surveillance et de commande automatisées permettant l’optimisation en temps réel du fonctionnement des bioprocédés.
Dans les domaines des biotechnologies et du traitement des eaux en particulier, l’amélioration de la performance dans les industries de production ainsi que les nouvelles normes législatives ont rendu nécessaire la modélisation, l’identification et la commande en temps réel des procédés de traitement biologique [QUE00]. La complexité des mécanismes mis en jeu et le fonctionnement au quotidien de tels procédés ont souligné le besoin de mesurer, d’analyser et de contrôler certaines concentrations et variables caractéristiques des effluents. Les cinétiques non-linéaires, les paramètres variant dans le temps, l’absence de mesures fiables et directement accessibles, les fortes variations des conditions opératoires imposent le développement et l’utilisation de techniques avancées de l’Automatique.
Les travaux présentés dans ce manuscrit concernent l’exploration d’outils alternatifs de l’automatique basés sur la logique floue, pour la modélisation et la commande d’un bioprocédé de traitement des eaux usées. Ces travaux ont été développés dans le cadre d’une thèse en cotutelle entre l’Université Paul Sabatier - Laboratoire LAAS-CNRS en France et l’Université de los Andes - Laboratoire GIAP en Colombie. Afin d’apporter des éléments de références par rapport nos travaux, nous nous permettons de présenter en quelques lignes quelques axes de recherche qui sont étudiés dans les établissements scientifiques impliqués.
En ce qui concerne le Laboratoire LAAS1-CNRS2 et plus particulièrement le groupe
DISCO3, les principaux travaux de recherche portent sur le développement des outils de diagnostic, supervision et conduite pour les systèmes dynamiques complexes, pouvant inclure l’homme. Le groupe met l’accent sur le caractère qualitatif et quantitatif, sans ignorer les aspects continus ou discrets des systèmes. De ce fait, les systèmes hybrides et l’interface entre signaux continus et leur interprétation sous forme plus abstraite à événements discrets sont un des axes de recherche. La nature qualitative des connaissances et l’incertitude entachant les données font appel à des formalismes qualitatifs et symboliques trouvant leurs origines en Intelligence Artificielle comme le raisonnement qualitatif et la modélisation floue et neuronale, de même qu’à des méthodes de classification, d’apprentissage et de reconnaissance des formes. En ce qui concerne l’automatique des bioprocédés, le groupe a traité différents problèmes liés à l’estimation, l’observation, la commande, la classification, la supervision et le diagnostic de certains procédés biologiques et chimiques [ROU92] [BEN96] [DAH96] [ROU01] [KEM04] [ATI05] [HER06] [DAH06].
Pour sa part, le Laboratoire GIAP4 est dédié au développement et aux applications des méthodes et techniques avancées dans plusieurs domaines : modélisation et commande des systèmes, robotique, potabilisation et traitement des eaux, technologies de production, infographie et réalité virtuelle. En ce qui concerne le groupe d’automatique et d’informatique, les travaux de recherche développés portent sur la modélisation de systèmes hybrides,
1 LAAS : Laboratoire d’Analyse et d’Architecture des Systèmes. 2 CNRS : Centre National de la Recherche Scientifique.
3 DISCO : DIagnostic, Supervision et COnduite qualitatifs.
Introduction 3 l’identification paramétrique des systèmes et la commande des procédés (par des diverses techniques de commande : adaptative, prédictive, robuste, floue et hybride). Le groupe est orienté aussi vers des applications pour l’industrie. Notre travail au sein des Départements de Génie Electrique et Civil-Environnemental a été focalisé sur l’exploration et l’application de techniques alternatives de l’automatique au domaine des procédés biotechnologiques [GAU97] [GIR98] [ROD02] [ORO03] [DUQ03] [MOJ05].
En effet, c’est dans ce cadre que se situent notre motivation et notre intérêt pour la modélisation et la commande des procédés biologiques de traitements des eaux usées. Nous espérons contribuer à l’amélioration du fonctionnement d’une station d’épuration des effluents de papeterie par lagunage aéré en développant des techniques de modélisation et de commande floue de type Takagi-Sugeno (TS). Au niveau de l’identification, nous avons utilisé des méthodes floues de regroupement des données entrée-sortie pour construire un modèle dynamique non linéaire du procédé. Le type d’approche suivi, peut être considéré comme une approche de type « boîte grise » qui représente le système dynamique non linéaire comme un modèle à base de règles du type « Si-Alors », concaténant un ensemble de sous modèles localement linéaires sous la forme d’auto-régression non-linéaire (NARX5) dans l’espace d’état. De plus, nous avons développé une version graphique de la boîte à outils FMID6 pour la modélisation floue des systèmes non linéaires. A partir de cette représentation, nous développons une commande floue TS basée sur le modèle, en utilisant la philosophie de la commande de type compensation parallèle distribuée (PDC7). Nous nous sommes intéressés, en particulier, à la commande sous-optimale linéaire quadratique par retour d’état basée sur des modèles TS affines en temps discret.
Pour cela, ce mémoire est structuré en cinq chapitres, dont une première partie concernant le traitement des eaux usées et la seconde, sur la modélisation, l’identification et la commande floues avec application sur le bioprocédé de traitement des eaux résiduaires.
Dans la première partie, constituée des deux premiers chapitres, nous développons de manière non exhaustive, des aspects sur l’ingénierie des traitements des eaux usées, en mettant l’accent sur la modélisation dynamique des procédés biologiques.
Le premier chapitre présente une introduction aux procédés de traitement des eaux. Nous positionnons le problème de pollution de l’eau et nous présentons les concepts de base sur les indicateurs de qualité de l’eau et les procédés de traitement. Ensuite nous présentons le traitement biologique des eaux usées, ainsi que la problématique générale de l’automatique des bioprocédés.
Le deuxième chapitre aborde la modélisation dynamique des procédés biologiques utilisés dans le domaine du traitement des eaux résiduaires. Nous donnons d’abord un aperçu global en décrivant le rôle des microorganismes, les types de réacteurs et les modes de fonctionnement des bioprocédés. Ensuite, au niveau de la modélisation, nous nous focalisons sur l’approche des bilans de matière des composants principaux pour caractériser la dynamique de tels procédés. Ensuite nous présentons quelques modèles représentatifs des procédés biologiques. Finalement, nous décrivons le procédé considéré au niveau de l’application, qui est un bioréacteur aérobie multivariable en mode continu pour le traitement
5 NARX : Nonlinear AutoRegressive with eXogenous input.
6 FMID : Fuzzy Model Identification Toolbox for Matlab®, développé par le Prof. Robert Babuška, Delft
University of Technology, The Netherlands.
4 Introduction des eaux usées issues d’une industrie papetière. Le modèle considéré est une version du simulateur utilisé lors du projet européen FAMIMO8 pour lequel nous avons proposée l’ajout d’un terme de mortalité endogène au niveau de la dynamique bactérienne.
La deuxième partie de ce mémoire, comportant les chapitres 3 à 5, concerne la modélisation, l’identification et la commande de systèmes complexes en utilisant l’approche floue avec application au bioprocédé de traitement des eaux usées de notre étude.
Dans le troisième chapitre, nous traitons du problème d’identification (construction) des modèles flous de type Takagi-Sugeno (TS) à partir de données entrée-sortie. Nous introduisons d’abord la modélisation floue de systèmes, en nous focalisant particulièrement sur le modèle de type TS. En utilisant ce formalisme, nous représentons le comportement non linéaire d’un système par une composition de règles du type « Si-Alors », concaténant un ensemble de sous-modèles localement linéaires. Pour la construction de tels modèles nous abordons d’une part, différentes méthodes de classification floue (clustering) et, d’autre part, nous proposons l’application d’une méthode d’« agglomération compétitive », robuste en présence de bruit : il s’agit des algorithmes FER9 et RoFER10. Les méthodes considérées appartiennent aux méthodes de clustering basées sur la minimisation d’une fonction objectif. Enfin après avoir considéré la méthodologie générale pour la construction de modèles flous TS à partir de données, nous présentons quelques exemples illustratifs d’application.
Le quatrième chapitre concerne la commande des systèmes non linéaires basée sur les modèles flous de type Takagi-Sugeno, en utilisant la philosophie de commande du type compensation parallèle distribuée (PDC). Nous commençons par un aperçu général sur la synthèse (stabilisation) des contrôleurs flous basée sur un modèle flou homogène TS du système. Ensuite nous développons spécifiquement une commande sous-optimale linéaire quadratique par retour d’état basée sur un modèle affine TS en temps discret. Pour cela, nous proposons trois lois de commande qui tiennent compte du terme indépendant caractéristique du modèle affine. Les lois de commande sont de type régulateur, régulateur avec compensation de gain statique et régulateur avec action intégrale, ce qui permet l’annulation des erreurs statiques.
Le cinquième chapitre est consacré à l’application des méthodes floues d’identification et de commande au bioprocédé de traitement des eaux usées. Nous reprenons d’abord le modèle du bioréacteur introduit au chapitre 2. Ensuite, nous développons le modèle Takagi-Sugeno pour le bioréacteur en appliquant les techniques floues de construction basées sur des données expérimentales entrée-sortie considérées dans le chapitre 3. En fin, en appliquant la philosophie de commande du type PDC basée sur modèle présentée dans le chapitre 4, nous faisons la synthèse de la loi de commande la mieux adaptée au bioprocédé. Nous nous sommes intéressés, en particulier, à la commande sous-optimale linéaire quadratique par retour d’état pour les modèles TS affines en temps discret, afin de réguler les concentrations de biomasse et de substrat xénobiotique du bioprocédé. Les résultats obtenus en simulation soulignent les caractéristiques d’applicabilité, de performance et certaines limitations pour l’utilisation avec succès de ces techniques sur ce système non linéaire multivariable.
Enfin, nous terminons ce mémoire par une conclusion générale du travail développé et par quelques-unes des prospectives qui nous semble les plus intéressantes à étudier.
8 Waste-water Benchmark, in Fuzzy Algorithms for the Control of Multiple-Input, Multiple Output Processes
(FAMIMO) project, funded by the European Comission (Esprit LTR 21911).
9 FER : Fuzzy Ellipsoidal Regression.
PART I. TRAITEMENT DES EAUX USÉES :
UN POINT DE VUE DE L’INGÉNIERIE
Introduction aux procédés biologiques de traitement des eaux 7 ___________________________________________________________________________
Chapitre 1
1.
Introduction aux procédés biologiques
de traitement des eaux
___________________________________________________________________________
Dans ce chapitre, nous présentons une introduction aux procédés de traitement des eaux. Nous positionnons le problème de pollution de l’eau et nous présentons les concepts de base des indicateurs de qualité de l’eau et les procédés de traitement. Ensuite nous présentons le traitement biologique des eaux usées, ainsi que la problématique générale de l’automatique des bioprocédés.
8 Introduction aux procédés biologiques de traitement des eaux
Sommaire
Introduction aux procédés biologiques de traitement des eaux 9 La forme de vie dite « moderne » de l’homme a beaucoup modifié l’équilibre écologique naturel autrefois existant sur la planète. Les problèmes d'environnement liés à la concentration des populations et aux activités humaines, que ce soit au niveau urbain, agricole ou industriel, deviennent de plus en plus importants. La pollution générée par l'homme affecte de plus en plus le cycle de l'eau et des traitements artificiels doivent souvent être appliqués pour compléter les cycles naturels d'auto-épuration. Ces traitements sont en place à l’heure actuelle sur les stations d’épuration.
Le vaste domaine du traitement des eaux usées met en jeu plusieurs disciplines qui se matérialisent par exemple au niveau de la conception, la mise au point et la conduite des stations d’épuration. Cette pluridisciplinarité est constituée de la microbiologie et du génie génétique, en passant par le génie civil, jusqu'à l’automatique. Nous tenterons donc, de présenter dans ce chapitre, quelques concepts fondamentaux liés au problème d’assainissement biologique de l’eau, ainsi que des éléments de base sur l’automatique des bioprocédés, afin de mettre à disposition pour ceux qui ne sont pas forcément spécialistes, des notions de base dans ce domaine multidisciplinaire. Ces éléments nous permettront de fixer un cadre de référence pour mieux comprendre les études développées au cours de cette thèse. Une grande partie de ce chapitre est basée sur les documents [STE98] [HAD99] [QUE00] [DOC01]. Pour une étude plus détaillée et plus spécifique des divers aspects liés au domaine du traitement de l’eau et des bioprocédés, nous suggérons les ouvrages suivants : [HEN02] aborde en profondeur les principes fondamentaux des procédés biologiques et chimiques les plus utilisées dans le traitement de l’eau ; [ORO03] détaille les caractéristiques et le dimensionnement des procédés biologiques du point de vue de l’ingénierie ; [MET03] traite en détail les étapes de la chaîne de traitement et met l’accent sur les aspects de la réutilisation de l’eau et des boues ; [BAS90] et [DOC01] développent et appliquent des outils avancés de l’automatique au domaine des bioprocédés.
1.1. Les procédés de traitement des eaux usées
Dans cette section nous présentons des éléments de base concernant les procédés de traitement des eaux usées. En particulier nous insisterons sur quelques points particuliers: l’eau et la pollution, les indicateurs de qualité de l’eau, la législation en France et le traitement des eaux usées.
1.1.1.
L’eau et la pollution
La pollution se définit comme l’introduction dans un milieu naturel de substances provoquant sa dégradation. La pollution des ressources en eau au niveau des stations d'épuration provient de diverses sources, notamment les formes relatives aux activités humaines [HAD99] [STE98] [QUE00] :
• La pollution domestique et urbaine : les eaux usées urbaines sont rejetées par les installations collectives (hôpitaux, écoles, commerces,…) et comportent les eaux ménagères (détergents, graisses, ...) et les eaux vannes (eaux sanitaires : matière organique et azotée, germes et matières fécales, ...). Les eaux résiduaires urbaines (ERU) peuvent être considérées comme la plus importante industrie en termes de masse de matériaux bruts à traiter. A titre d'exemple, tant en France qu’en Colombie la consommation moyenne en eau est généralement estimée à 150 litres par jour et par habitant. Dans la communauté européenne il est produit quotidiennement un volume proche à 40 millions de m3 d'eaux usées.
10 Introduction aux procédés biologiques de traitement des eaux • La pollution industrielle : le degré et la nature de la pollution générée par des rejets
industriels varient suivant la spécificité de chaque activité industrielle. Certains rejets troublent la transparence et l’oxygénation de l’eau ; ils peuvent avoir un effet nocif sur les organismes vivants et nuire au pouvoir d’auto-épuration de l’eau. Ils peuvent causer aussi l’accumulation de certains éléments dans la chaîne alimentaire (métaux, pesticides, radioactivité,…). Les eaux résiduaires industrielles (ERI) représentent une part importante des rejets arrivant aux stations d'épuration. A titre d'exemple, les deux tiers des industriels redevables des Agences de l'Eau en France (ceux qui génèrent le plus de pollution) sont raccordés aux stations d'épuration des collectivités territoriales. Ils produisent 10% de la charge polluante industrielle brute, ce qui équivaut à un quart de la pollution domestique. Cet apport pose de sérieux problèmes aux exploitants de stations d'épuration urbaines, tant au niveau des capacités que des performances de traitement. En effet, les effluents industriels toxiques11 constituent un danger permanent pour les stations de dépollution biologique. De plus, il faut bien noter que, selon le ministère de l'Environnement Français, 30% des rejets industriels s'échappent encore dans la nature sans aucun traitement !
• La pollution agricole : ce type de pollution s’intensifie depuis que l’agriculture est entrée dans un stade d’industrialisation. Les pollutions d’origine agricole englobent à la fois celles qui ont trait aux cultures (pesticides et engrais) et à l’élevage (lisiers et purins). Néanmoins, le problème de la pollution agricole est un peu différent, dans la mesure où cette source de pollution n'arrive qu'indirectement à la station. C'est le cas en particulier des engrais et pesticides qui passent d'abord à travers les milieux naturels (nappes phréatiques, rivières...). C'est aussi le cas des déchets solides issus des industries agro-alimentaires et des concentrations des élevages qui entrainent un excédent de déjections animales (lisiers de porc, fientes des volailles...) par rapport à la capacité d’absorption des terres agricoles ; celles-ci, sous l’effet du ruissellement de l’eau et de l’infiltration dans le sous-sol, enrichissent les cours d’eau et les nappes souterraines en dérivés azotés et constituent aussi une source de pollution bactériologique.
• La pollution d’origine naturelle et l’eau de pluie : La teneur de l’eau en substances indésirables n’est pas toujours le fait de l’activité humaine. Certains phénomènes naturels peuvent y contribuer (contact de l’eau avec les gisements minéraux, ruissellement des eaux de pluie, irruptions volcaniques,…). En ce qui concerne l’eau de pluie, bien que longtemps considérée comme propre, l'eau d'origine pluviale est en fait relativement polluée. L'origine de cette pollution peut provenir des gaz ou solides en suspension rejetés dans l'atmosphère par les véhicules, les usines ou les centrales thermiques. Ces polluants (oxyde de carbone, dioxyde de soufre, poussière) sont envoyés vers le sol à la moindre averse. Lorsqu'elle ruisselle, l'eau de pluie a un second effet nocif: elle transporte les hydrocarbures, les papiers, les plastiques et les débris végétaux accumulés sur la terre et les toitures. De plus, cette pollution est déversée sur de courtes périodes et peut atteindre des valeurs très élevées ce qui provoquent un effet de choc sur le milieu biologique.
En ne parlant que de la pollution de l'eau, ce bilan est loin d'être exhaustif puisqu'il faudrait lui rajouter tous les déchets solides, constitués d'ordures ménagères, des déchets ménagers encombrants (mobilier, cuisinières, réfrigérateurs,...), des déchets automobiles (carcasses, batteries, huiles et pneus usagés), des déchets provenant de l'entretien des espaces verts urbains, des déchets d'assainissement des eaux usées (boues), des déchets inertes (les 2/3 des déchets solides industriels), et enfin des déchets produits ou recyclés dans l'agriculture et les industries agro-alimentaires.
Introduction aux procédés biologiques de traitement des eaux 11
1.1.2.
Les indicateurs de qualité de l’eau
Les eaux usées sont des liquides de composition hétérogène, chargés de matières minérales ou organiques pouvant être en suspension ou en solution, et dont certaines peuvent avoir un caractère toxique. L'élaboration et la définition de paramètres qualitatifs de la pollution ont conduit à établir des mesures quantitatives de la pollution [HAD99] [QUE00] : • Matières en suspension (MES) : quantité (en mg/L) de particules solides, de nature
minérale ou organique, véhiculées par les eaux usées. La mesure des MES est effectuée par filtration ou bien par centrifugation d’un échantillon, après séchage à 110 °C.
• Demande chimique en oxygène (DCO) : permet de mesurer la consommation d'oxygène (en mgO2/L) dans les conditions d'une réaction d'oxydation complète. C'est une mesure de la pollution organique. On utilise pour cela un oxydant puissant (le bichromate de potassium) dans un milieu acide (acide sulfurique). La quantité d’oxygène cédée par l’oxydant au cours de la réaction constitue la demande chimique en oxygène. Celle-ci est d’autant plus importante que l’eau est polluée. Cette méthode qui permet un résultat rapide, est utilisée surtout pour les eaux très polluées. On sépare généralement la DCO particulaire de la DCO soluble pour différencier les matières en suspension (partie organique) des matières organiques solubilisées.
• Demande biochimique en oxygène (DBO) : représente la consommation d'oxygène (en mgO2/L) résultant de la métabolisation de la pollution organique biodégradable par les micro-organismes. L’échantillon prélevé est dilué par une solution contenant les substances nutritives appropriées et une semence d’un grand nombre de populations bactériennes. La procédure d’analyses biochimique dépendant des prévisions de la charge polluée, normalement plusieurs tests sont effectués avec différentes dilutions, afin de couvrir la gamme complète des concentrations possibles. Le mélange est laissé en incubation dans un flacon étanche, isolé de l’air, pour faciliter les mesures d’oxygène utilisé durant les réactions de métabolisme. Un test supplémentaire est réalisé sur la culture de micro-organismes avec une dilution d’eau, afin d’établir les corrections liées à la fraction d’oxygène consommée par la semence biologique. Les résultats de ce test dépendent de la température ainsi que de la période d’incubation. Si la température standard est fixée à 20 °C, la durée d’oxydation peut varier. La Demande Biochimique en Oxygène (DBO) est souvent mesurée après 5 jours, la notation utilisée dans ce cas est généralement DBO5. Au cours de cette période, l’oxydation n’est pas totale (de 60 à 70% de la réaction complète), alors qu’elle est estimée entre 90% et 95% après une incubation de 20 jours. La DBO a été reconnue depuis très longtemps comme la principale mesure de la pollution organique.
• Azote global (NGl) : quantité totale d'azote (en mgN/L) correspondant à l'azote organique (Norg) et ammoniacal (ion ammonium, +
4
NH ) et aux formes minérales oxydées de l'azote : nitrates ( −
3
NO ) et nitrites ( − 2
NO ). L’analyse de l’ammoniac est réalisée sous un pH élevé par la technique de minéralisation (chauffage et condensation) et un test de colorimétrie. Le test Kjeldahl consiste à faire subir à un échantillon, un processus de digestion où l’azote organique est transformé en ammoniac. Par conséquent, l’azote Kjeldahl (NTK) représente l’azote organique et ammoniacal. Les formes oxydées (nitrates et nitrites) sont mesurées par colorimétrie.
12 Introduction aux procédés biologiques de traitement des eaux • Phosphore total (PT) : quantité (en mgP/L) correspondant à la somme du phosphore
contenu dans les orthophosphates, les polyphosphates et le phosphate organique. Le phosphore qui pollue les eaux est en majeure partie sous forme de phosphates ( 3−
4 PO ). Typiquement ce composé est déterminé directement par addition d’une substance chimique qui forme un complexe coloré avec le phosphate.
On pourrait y rajouter des mesures plus spécifiques concernant la présence de toxiques d'origine minérale (mercure, cadmium, plomb, arsenic...) ou organique (composés aromatiques tels que le phénol, PCP...). On trouvera aussi les mesures du Carbone Organique Total (COT), autre mesure de la quantité de matière organique, des Matières Volatiles en Suspension (MVS) qui représentent la partie organique (donc biodégradable) des MES, ou encore des Matières Oxydables (MO). Cette dernière est définie comme:
3 2DBO5 DCO
MO= +
Cette mesure est particulièrement utilisée par les Agences de l'Eau pour établir les quantités de matières organiques présentes dans un effluent.
1.1.3.
La législation : quelques éléments
Les eaux résiduelles sont devenues un des problèmes environnementaux les plus critiques, si nous considérons que l'accroissement démographique de la majorité des centres urbains moyens et grands, est important dans plusieurs pays12 et régions du monde. Cette situation se reflète dans l'augmentation des décharges de type domestique et productif, en détériorant chaque fois plus l'état de la qualité de l’eau comme ressource. La situation est plus critique lorsqu’on altère les conditions de qualité de l'eau requises pour l'approvisionnement d'activités spécifiques (domestique, industriel, agricole, d'élevage, etc..) et la vie aquatique. Afin de faire face à cette problématique environnementale, plusieurs organismes et gouvernements se sont engagés à ce propos en développant un cadre légal ainsi que des programmes spécifiques pour le traitement des eaux en mettant en commun la problématique et les solutions auprès de l’ensemble des collectivités et des acteurs impliqués. Malgré le fait qu’en pratique on constate des différences propres à la culture et aux intérêts de chaque pays, à la base, l’esprit et les principes de ces normes restent les mêmes : favoriser la protection de l’environnement en gardant un équilibre avec le développement. A titre illustratif et en prenant en compte les pays impliqués dans le cas de la cotutelle de thèse, nous présentons quelques éléments sur la législation en France et en Colombie.
La législation en France
La législation française sur la pollution des eaux, les conditions de rejet et leur traitement repose en grande partie sur la loi sur l'eau n°92-3 du 3 janvier 1992 et les décrets du 29 mars 1992 et du 3 juin 1994 [STE98] [QUE00]. Les arrêtés prévus par ces décrets ont permis à la France de transposer en droit interne les directives européennes "eaux résiduaires urbaines" du 21 mai 1991. Ils imposent aux communes, sur l'ensemble du territoire français, l'élaboration et la mise en œuvre d'un programme d'assainissement avant le 31 décembre 2005, prenant en compte la collecte et le traitement biologique des eaux résiduaires urbaines.
12 En Colombie le phénomène est probablement plus accentué étant donné la situation actuelle (2007)
Introduction aux procédés biologiques de traitement des eaux 13 Les conditions de rejets sont fixées par les arrêtés du 22 novembre 1994 pour les effluents urbains et des 1er mars 1993 et 25 avril 1995 pour les effluents industriels. Ces arrêtés précisent en particulier les caractéristiques physico-chimiques des rejets, avec, en particulier, les valeurs limites des critères de pollution (MES, DCO, DBO5, NGl et PT) fixées en concentrations et en rendements. Les caractéristiques générales des rejets sont détaillées dans le Tableau 1.1. Les valeurs limites sont résumées dans le Tableau 1.2. pour les rejets urbains et dans le Tableau 1.3. pour les rejets industriels.
Caractéristique Effluents urbains Effluents industriels
pH 6 < . < 8,5 5,5 < . < 8,5
Température < 25° < 30°
Couleur < 100 mg Pt/L
Tableau 1.1. Caractéristiques générales des rejets
Remarque
R 1.1 Pour les rejets dans des écosystèmes et milieux aquatiques sensibles à l'eutrophisation, la législation est plus contraignante, tout au moins en ce qui concerne l'azote et le phosphore.
Ainsi, l'application de la Directive Européenne et de la loi sur l'eau de 1992 nécessite non seulement une extension des stations au traitement de l'azote et du phosphore, mais également une fiabilisation de ces traitements, c'est à dire un respect continu des niveaux de rejets. A titre illustratif, en Midi-Pyrénées13 par exemple, la situation été relativement alarmante au début du XXI siècle puisque environ 70% des pollutions azotées et 80% des pollutions phosphorées ne sont pas traitées dans les stations d'épuration domestiques.
Paramètre Pollution journalière kg/L Valeur limite moyenne/24h mg/L Rendement minimal %
MES toutes charges 35 90
DCO toutes charges 125 75
DB05 120 à 600 > 600 25 70 80 NGl 600 à 6000 > 6000 15 10 70 70 PT 600 à 6000 > 6000 2 1 80 80
Tableau 1.2. Valeurs limites des rejets urbains
13 La région de Midi-Pyrénées avec ses 45348 m2 représente 8,3% de la superficie française. Elle est constituée
14 Introduction aux procédés biologiques de traitement des eaux
Valeur limite
Paramètre Flux journalier
autorisé kg/L moyenne/24h mg/L moyenne/mois mg/L MES ≤ 15 > 15 100 35 DCO ≤ 100 > 100 300 125 DB05 ≤ 30 > 30 100 30 NGl ≤ 50 — 30 PT ≤ 15 — 10
Tableau 1.3. Valeurs limites des rejets industriels
La législation en Colombie
Pour la Colombie, les évaluations reportent que les centres urbains dans le pays recueillent autour de 170 m³/s d'eau laquelle est perdue entre 40% et 50 %. Entre 70% à 80% des eaux consommées retournent à l'environnement sous forme d'eaux résiduelles. On estime qu'en Colombie on apporte quotidiennement environ 700 tonnes de charge organique du secteur domestique urbain aux corps d'eau. L'inventaire des systèmes de traitement d'eaux résiduelles du Ministère de l'Environnement, reporte que seulement 22% des municipalités du pays effectuent un traitement des eaux résiduelles et beaucoup présentent des disfonctionnement. On reporte que les départements qui ont une plus grande couverture d'usines de traitement d'eaux résiduelles (PTAR) sont Cundinamarca (38 PTAR), Antioquia (26 PTAR), Cesar (14 PTAR), Valle del Cauca (14 PTAR) et Tolima (13 PTAR).
En ce qui concerne les normes sur les déversements d'eaux résiduelles et les aspects institutionnels, elles sont fondées sur des politiques nationales et des normes spécifiques mentionnées depuis les années 70. On souligne principalement le Code des Ressources Naturelles (décret de loi 2811 de 1974), le décret 1594 de 1984 et le Règlement Technique d’Eau Potable et d’Assainissement (RAS14), comme principales normes de règlement environnemental et sanitaire [GUIA02].
Les communes doivent donc s'occuper des normes de déversement établies (cf. Tableau 1.4), et de certains paramètres d'intérêt sanitaire (e.g. Article 72 Décret 1594 de 1984).
14 RAS : Reglamento Técnico de Agua Potable y Saneamiento (RAS), Ministerio de Desarrollo Económico,
Introduction aux procédés biologiques de traitement des eaux 15 Paramètre Installation déjà existante Nouvelle Installation pH 5 - 9 5-9 Température < 40° < 40° Matières grasses
et huiles Efficacité > 80% Efficacité > 80% Matières en
suspension Efficacité > 50% Efficacité > 80% DB05 Niveau urbain Niveau industriel Efficacité > 30% Efficacité > 20% Efficacité > 80% Efficacité > 80%
Tableau 1.4. Normes sur les rejets (Art. 72 Décret 1594 de 1984, Colombie)
1.1.4.
Le traitement des eaux usées
L’eau est le véhicule de transport et de dissémination idéal de nombreux polluants. Les contraintes d’assainissement, de plus en plus strictes, exigent le traitement d’un nombre plus important de polluants (matières organiques, minérales, pathogènes et toxiques). Etant donnée la grande diversité de ces déchets, l’épuration d’un affluent résiduaire comporte plusieurs étapes, chacune spécifique aux caractéristiques particulières des éléments à traiter.
D’un point de vue général, est sans vouloir être exhaustif, compte tenu de la diversité des procédés mis en œuvre selon les cas, l'épuration de l'eau amène toujours avant leur rejet dans le milieu naturel à [QUE00] :
- séparer et éliminer les matières en suspension,
- éliminer la pollution organique, principalement par voie biologique, et, plus récemment les pollutions azotées et phosphorées.
Le schéma fonctionnel de la filière d’épuration des eaux résiduaires est indiqué sur la Figure 1.1 [HAD99] :
16 Introduction aux procédés biologiques de traitement des eaux
Figure 1.1. Filière d’épuration des eaux résiduaires (d’après [HAD99]).
Globalement, la filière de traitement est constituée de différents modules où les eaux brutes sont soumisses à une combinaison ou une succession de différents processus de purification. L’épuration d’un effluent pollué peut comporter cinq phases principales :
• Le prétraitement : est un traitement préliminaire comportant un certain nombre d’opérations à caractère mécanique (procédés physiques). Le but est d’extraire de l’eau les gros déchets en suspension ou en flottation (sables, huiles) qui pourraient gêner les traitements subséquents. L’élimination préalable de ces matières permet d’éviter des effets nocifs secondaires (odeurs, colmatage…). Parmi ces méthodes de séparation primaires, les plus courantes sont :
Introduction aux procédés biologiques de traitement des eaux 17 - le dégrillage, qui a pour fonction la suppression des déchets les plus grossiers par
passage à travers une grille.
- le dessablage, qui permet le dépôt du sable et des graviers susceptibles d’endommager les machines de pompage.
- le déshuilage, qui favorise, par injection d’air, la flottation des graisses et des hydrocarbures qui sont séparés par raclage de surface.
• Le traitement primaire : permet d’éliminer de l’eau plus de la moitié des matières en suspension sous forme de boues dites « boues primaires », recueillies ensuite par pompage de fond. Il fait appel à différents procédés physiques :
- La flottation, visant à séparer les phases solides des phases liquides par la poussée d’Archimède. En flottation naturelle, les flocs de faible densité remontent librement à la surface. La flottation assistée s’obtient par injection d’air.
- La décantation, permet aux matières en suspension de se déposer, sous forme de boues, en utilisant la force de gravité pour séparer les particules de densité supérieure à celle du liquide.
- La filtration, est le passage du mélange liquide-solide à travers un milieu poreux (filtre) qui retient les solides et laisse passer les liquides.
• Le traitement secondaire : a pour objectif principal l’élimination des matières en suspension et des composants solubles dans l’eau (matières organiques, substances minérales…). Il fait habituellement appel aux procédés biotechnologiques, car les matières présentes dans les eaux usées sont généralement d’origine organique. Au terme du traitement secondaire, l’eau, débarrassée des éléments qui la polluaient est épurée à 90%. Les matières polluantes agglomérées à la suite de ce traitement sont recueillies par décantation sous forme de boues. On utilise typiquement :
- Les traitements physico-chimiques, qui consistent à transformer chimiquement, à l’aide de réactifs, les éléments polluants non touchés par les traitements biologiques (matières non biodégradables).
- Les traitements biologiques, qui sont appliqués aux matières organiques en utilisant des cultures de microorganismes (notamment bactéries) reproduisent le processus de l’auto-épuration naturelle dans des bassins adaptées à ce propos (les bioréacteurs). Plus récemment, le traitement biologique de l’azote a été intégré à cette étape, et de la même manière, le traitement des phosphates commence aussi à y être intégré. Les impuretés sont alors digérées par des êtres vivants microscopiques et transformées en boues. La culture des bactéries se fait soit en milieu aéré (aérobie), soit en absence d’oxygène (anoxie). On distingue aussi les cultures fixées (lits bactériens, disques biologiques), et les cultures libres (lagunage aéré, boues activées). On reviendra dans la section 1.2. plus en détail sur le traitement biologique des eaux usées.
• Le traitement tertiaire : est un traitement complémentaire qui a un rôle d’affinage, dans le but soit d’une réutilisation des eaux épurées à des fins agricoles ou industrielles (e.g. refroidissement des turbines), soit de la protection du milieu récepteur pour des usages spécifiques (rejet dans les milieux aquatiques en zone plus ou moins sensible), soit encore de la protection des prises d’eau situées en aval. Différentes méthodes de nature variée peuvent alors être utilisées :
- biologiques, pour l’élimination de l’azote (processus de nitrification-dénitrification) et du phosphore (déphosphatation).
18 Introduction aux procédés biologiques de traitement des eaux - physico-chimiques, pour la précipitation du phosphore (coagulation-décantation) ou
l’élimination des dernières matières en suspension (filtration sur lits de sable, tamis métalliques ou charbon actif). L’élimination de l’azote et du phosphore par voie biologique ou chimique évite la prolifération de végétaux dans les corps d’eau15 (les lacs, les étangs ou les rivières) et protège la vie aquatique.
- chimiques, pour la désinfection dans le traitement final des effluents. L’élimination des risques de contamination bactériologique ou virale se fait souvent par oxydation en utilisant des agents tels que le chlore et l’ozone. Les procédés chimiques sont utilisés aussi pour l’adoucissement de l’eau et pour la neutralisation en agissant sur le pH.
- radiatifs, pour les opérations de désinfection de l’eau telle que les rayonnements ultraviolets qui irradient les cellules vivantes indésirables permettant d’éliminer les risques de contamination due aux bactéries et virus. Suivant la quantité d’énergie UV reçue, elles sont soit stérilisées (effet bactériostatique) soit détruites (effet bactéricide). • Le traitement des boues : a pour but le traitement et le conditionnement des boues
résiduaires extraites du décanteur, en permettant de réduire leur volume en éliminant l’eau (épaississement, déshydratation) et les cas échéant de les stabiliser (digestion, compostage). Pour ces boues, quatre destinations sont typiquement possibles :
- l’épandage agricole, qui représente une valorisation de ce sous-produit fertilisant. - l’élaboration de compost, par incorporation de paille ou de sciure.
- l’incinération, pour quelques grosses unités ou lorsqu’une installation locale existe déjà pour les ordures ménagères.
- la mise en décharge, solution qui devrait être progressivement abandonnée dans les années à venir.
Remarque
R 1.2 Compte tenu de l’évolution des directives, le traitement des pollutions dues aux nitrates et phosphates ainsi que les différentes opérations de traitement biologique sont passé peu à peu du traitement tertiaire vers le traitement secondaire. Mais ceci n’est qu’affaire de présentation et ne change rien dans les principes [QUE00] .
1.2. Le traitement biologique des eaux usées
Le traitement biologique des effluents dans des installations appropriées est un moyen efficace pour répondre aux problèmes environnementaux liés aux activités humaines et compléter l’activité des micro-organismes dans les écosystèmes, en imitant les cycles naturels d'auto-épuration. Les procédés de traitement biologique de l'eau sont particulièrement adaptés à l'épuration d'eaux polluées essentiellement par de la matière organique facilement biodégradable et, dans tous les cas, exemptes de composés toxiques à des concentrations importants. Ces procédés sont donc particulièrement adaptés à l'épuration des eaux résiduaires urbaines. Les eaux industrielles nécessitent généralement des traitements spécifiques. Elles
15 L’apport constant de substances nutritives (nitrates et phosphates) au corps d’eau facilite la prolifération
démesurée d'algues et autres végétaux aquatiques qui favorisent l'appauvrissement du milieu en oxygène, phénomène connu sous le terme d’eutrophisation.
Introduction aux procédés biologiques de traitement des eaux 19 peuvent parfois rejoindre la station d'épuration, au prix toutefois d'un traitement physico-chimique préalable, car la présence de toxique détruirait la flore bactérienne [QUE00].
Le principe général d'un procédé biologique, ou bioprocédé, est d'utiliser les propriétés naturelles d'organismes vivants afin de produire ou d'éliminer certaines substances chimiques ou biochimiques, dans des conditions optimales de fonctionnement. En effet, certains micro-organismes ont de grandes facultés de transformation métabolique et de décomposition des matières biodégradables. Ils constituent par leur multiplication rapide et leur action biochimique, des agents épurateurs très efficaces.
Dans cette section nous présentons en quelques lignes une vue panoramique du traitement biologique des eaux usées. En particulier nous insisterons sur quelques points particuliers : les substrats polluants, les micro-organismes épurateurs, les processus métaboliques et les traitements biologiques [HAD99] [MET03].
1.2.1.
Les principaux polluants
Les phénomènes de pollution des eaux se traduisent par des effets particuliers liés aux spécificités écologiques propres aux milieux aquatiques. En effet, l’eau peut dissoudre, souvent avec facilité, de nombreuses substances chimiques et biologiques. Par conséquent, tout polluant peut être véhiculé fort loin de la source de contamination. La problématique des déchets présents dans l’eau peut être abordée de plusieurs façons, qui donnent chacune lieu à une classification différente. Ainsi, les impuretés peuvent être identifiées suivant qu’elles soient vivantes ou inertes, minérales ou organiques, solides ou dissoutes. D’autres techniques
de classification sont basées sur leur dimension, leurs degrés de toxicité,… Parmi les principaux polluants on peut distinguer les suivants :
• Les matières organiques : constituent, de loin, la première cause de pollution des ressources en eaux. Ces matières organiques (déjections animales et humaines, graisses,…) sont notamment issues des effluents domestiques, mais également des rejets industriels (industries agro-alimentaire, en particulier). La pollution organique peut être absorbée par le milieu récepteur tant que la limite d’auto-épuration n’est pas atteinte. • Les éléments minéraux : regroupent essentiellement les produits azotés ainsi que les
produits phosphorés. Ces matières proviennent principalement des activités agricoles. La pollution minérale des eaux peut provoquer le dérèglement de la croissance végétale ou des troubles physiologiques chez les animaux.
• Les métaux lourds : les plus fréquemment rencontrés mais qui sont aussi les plus dangereux sont le mercure, le cuivre, le cadmium, le chrome, le plomb et le zinc. Ils ont la particularité de s’accumuler dans les organismes vivants ainsi que dans la chaîne trophique. La pollution radioactive peut avoir des effets cancérigènes et mutagènes sur les peuplements aquatiques.
• Les matières pathogènes : sont constituées de virus et bactéries entrainant souvent une inhibition des mécanismes biologiques. La pollution micro-biologique se développe conjointement à la pollution organique, par une prolifération des germes d’origine humaine ou animale dont certains sont éminemment pathogènes.
• Les substances toxiques : sont des composés chimiques de synthèse, issus des activités industrielles et agricoles. Les conséquences souvent dramatiques de la pollution chimique sur les écosystèmes, varient suivant la concentration de composés dans les rejets.
